Физика_жидкой_части

2

СОДЕРЖАНИЕ

3

ТЕМА 5 . ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РОЛИ ВОДЫ В ПОЧВЕ

Вода - один из незаменимых факторов, определяющих жизнедеятельность организмов. Ей принадлежит важнейшая роль в процессах выветривания горных пород и почвообразовании. Наличие только воды (при минимальном количестве питательных веществ) делает возможным существование на поверхности горной породы живых организмов (микроорганизмов, низших и высших растений), и тем самым кладет начало почвообразовательному процессу.

Роль воды в почвообразовательном процессе настолько существенна, что Г. Н. Высоцкий сравнивал ее с кровью организма. В результате перемещения водой органических, органо-минеральных и минеральных соединений формируется почвенный профиль. Почвенная влага оказывает существенное влияние на формирование свойств почвы:

а) химических свойств (трансформация органического вещества почв; выветривание первичных минералов и вторичное минералообразование; процессы растворения-осаждения, сорбции-десорбции, коагуляции-пептизации; окисли- тельно-восстановительный режим и реакция почвенного раствора; передвижение по почвенному профилю продуктов выветривания и почвообразования; дифференциация почвенной массы и формирование генетических горизонтов и др.);

б) физические свойства (дисперсность; структурное состояние почвы; степень аэрации и газовый режим почвы в целом; тепловые свойства, тепловой баланс и тепловой режим почв; проявление физико-механических свойств почвы: липкость, вязкость, набухаемость, тиксотропность и др.).

Исключительно велика роль воды в плодородии почвы и жизни растений, поскольку она определяет рост и развитие живой части почвы, оказывает существенное влияние на формирование биологических свойств почвы, выступая непосредственным источником воды и питательных веществ, содержащихся в почвенном растворе. Воду растения получают главным образом из почвы (питательная функция). Почвенная влага обеспечивает перенос питательных веществ в системе «почва-растение» (транспортная функция), защищает растения от перегрева в процессе транспирации (протекторная функция). Нормальное развитие растений и почвенных микроорганизмов невозможно без достаточного количества влаги. Для создания 1 г сухого вещества растения расходуют от

200 до 1000 г воды.

Передвижение влаги в почве и по ее поверхности обусловливает некоторые процессы, отрицательно влияющие на плодородие (эрозия, вынос из верхних слоев питательных элементов). Вода - глобальный фактор, определяющий перераспределение солнечной энергии и круговорот вещества в биосфере, главнейший фактор формирования климата, аккумулятор тепла.

Источниками поступления воды в почву являются (1) атмосферные осадки (дождь, снег, град, роса, туман); (2) воды поверхностного и внутрипочвенного стока; (3) грунтовые воды; (4) парообразная влага, поступающая из глубоких слоев литосферы и перемещаемая воздушными массами.

4

При этом вода, попадая в почву, формирует жидкую ее часть (жидкую фазу почвы), представляя собой наиболее подвижную, изменчивую и в то же время активную часть почвы и оказывая значительное влияние на процессы почвообразования.

Таким образом, взаимодействие процессов поступления и расхода почвенной влаги определяет скорость и направленность почвообразовательного процесса, приводящего к формированию почвы того или иного генетического типа и ряда (автоморфные, полугидроморфные и гидроморфные почвы).

Водно-физические свойства почвы складываются из способности почвы воспринимать воду: смачиваться, поглощать и удерживать воду на поверхности частиц и в капиллярных полостях; передвигать воду в виде нисходящих и восходящих потоков; испарять воду.

Во всякой почве содержится то или иное количество влаги. Количественное выражение содержания влаги в почве определяется понятием «влажность почвы».

5.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

Вучебной и научной литературе по почвоведению прочно утвердилось понятие «влажность почвы». Существует несколько вариантов определений рассматриваемого понятия:

1. Влажность почвы — безразмерная величина, характеризующая содержание в почве влаги. Выражается: а) в процентах от веса сухой почвы (весовая влажность, или просто влажность п.); б) в процентах от объема почвы (объемная влажность); в) в процентах от содержания влаги, соответствующего тому или иному виду влагоемкости, чаще всего полной или наименьшей (относительная влажность) [1, 2].

2. Влажность почвы - содержание влаги в почве. Выражается в процентах от массы сухой почвы или от объѐма почвы ненарушенного сложения [3].

3. Влажность почвы - содержание воды в почве. Выражается в мм водного столба [4].

Внекоторых изданиях [Роуэлл, 1998, с. 129] встречаются и явные ошибки. Например, рассматриваемое нами понятие определяется как "масса воды в единице массы абсолютно сухой почвы". В данном случае наиболее отчетливо проявляется противоречие между термином и дефиницией, поскольку закономерно возникает вопрос: "А может ли содержаться вода в "абсолютно" сухой почве?" Насколько мы понимаем, в этом определении речь не идет о содержании химически связанных форм воды. Следовательно, подобное определение некорректно и, соответственно, требует переработки в соответствии с истинным смыслом данного термина. Более того, в таком виде оно не соответствует требованиям составления научных определений, поскольку «влажность» - это не масса, а показатель или величина, дающая представление о количестве влаги

вчем-то.

5

Мы не будем рассматривать все термины и дефиниции, связанные с термином «влажность», проанализируем только самый общий случай, обращая внимание на понятия «абсолютная влажность почвы» и «объемная влажность почвы».

Все рассмотренные нами определения не имеют принципиальных различий и построены по сходным принципам. На первый взгляд все дефиниции, которые приводятся в учебниках и различных руководствах по почвоведению, выглядят корректно, убедительно и лаконично. Однако, краткость определений, а если быть точнее, упрощение формулировок, в некоторых случаях приводит к нарушению логических построений и, в конечном счете, к принципиальным ошибкам, обнаруживаемым при терминологическом анализе.

Для детального анализа понятия "влажность почвы" необходимо выделить следующие элементы: термин, дефиницию и способ расчета рассматриваемого показателя. В данной работе предметом исследования является не столько сам термин, сколько его дефиниция, хотя эти категории неразрывно связаны друг с другом.

Проведенный нами анализ терминов, понятий и определений выявил наличие ряда противоречий. Во-первых, в некоторых определениях подчеркивается, что «влажность почвы» - величина безразмерная. С этим можно было согласиться, если бы при этом в некоторых изданиях не указывали, что влажность почвы можно выразить в виде процентов (массовых и объемных); мм водного столба, м3/га, т/га.

Конечно, мы понимаем, что мм водного столба, м3/га и т/га – это способы выражения запасов влаги в почве. Тем не менее, необходимо различать понятия «влажность почвы» и «запасы влаги в почве», четко и однозначно прописывая это в справочной и, особенно, учебной литературе.

Мы считаем, что в определении можно было бы специально не указывать, что эта величина безразмерная, поскольку далее говорится о том, что выражается она в процентах и/или долях (например, в инженерной геологии).

Во-вторых, дальнейшая часть определения 1, по нашему мнению, состоит из двух логически несогласованных частей. В первой части формулировки указывается, что "влажность почвы" – величина, характеризующая содержание воды в почве, при этом во второй ее части подчеркивается, что данный показатель выражается в массовых или объемных процентах по отношению к сухой почве. В данном утверждении фактически ставится знак равенства между понятиями "почва" и "сухая почва".

Однако, эти понятия, согласно принятым в почвоведении представлениям, не тождественны друг другу, поскольку "почва" - трехфазная система, включающая твердую, жидкую и газообразную части, в то время как "сухую почву" следует рассматривать как двухфазную систему, состоящую из твердой и газообразной частей. Исходя из этого, для устранения возникшего противоречия необходимо раскрыть смысл каждой из анализируемых частей дефиниции отдельно.

Итак, если под "влажностью почвы" понимать общее содержание влаги в почве (определения 2 и 3), тогда корректно было бы эту величину выражать в

6

массовых или объемных процентах по отношению к исходной навеске влажной почвы (в т.ч. воздушно-сухой в случае определения гигроскопической влажности), т.е. определять долю почвенной влаги от почвы в целом.

Если же под "влажностью почвы" понимать величину, выраженную в массовых или объемных процентах по отношению к сухой почве, тогда для устранения противоречий необходимо изменить первую часть рассматриваемой нами дефиниции, формулируя, тем самым, совершенно новое понятие.

Вэтом случае под "влажностью почвы" следовало бы понимать величину, соответствующую количеству частей воды, приходящихся на 100 частей сухой почвы (т.е. твердой части почвы). В этом случае расчет ведется по общепринятой формуле.

Мы понимаем, что способы выражения влажности – это вопрос договоренности между всеми специалистами, работающими в данной предметной области. Оба способа расчета имеют право на существование. Но считаем, что способ расчета не может существовать отдельно от термина и определения, поскольку все эти элементы образуют единое целое.

Проблема осложняется еще и наличием отраслевых стандартов, регламентирующих способы расчета влажности соответствующих материалов. Например, влажность растительного материала, удобрений, торфа выражается в процентах по отношению к общей (влажной) навеске материала, взятого для анализа. Влажность же почв, грунтов, горных пород, твердых осадков сточных вод, древесины и других материалов - в процентах по отношению к сухой навеске материала, взятого для анализа.

Втакой ситуации почвоведам и агрохимикам необходимо помнить о существовании различных способов расчета влажности, постоянно сверяя их с принятыми нормативами и стандартами. Особенно трудно приходится студентам и молодым специалистам, поскольку в процессе освоения специальности они неизбежно сталкиваются с проблемой «правильного» расчета влажности (точнее, соответствующего стандарту). Проблема в том, что на первых курсах университета при освоении комплекса химических дисциплин их учат выражать влажность в процентах по отношению к навеске, взятой для анализа. Позднее им приходится переходить на способ выражения, принятый в почвоведении. В итоге, возникает проблема: «Почему один и тот же показатель, с одним и тем же названием рассчитывается по-разному, и какое из полученных значений является истинным?»

Подводя итог всему сказанному выше, мы предлагаем выделять следующие понятия:

1. Влажность почвы – величина, характеризующая относительное содержание влаги в почве, выраженное в процентах по отношению к массе влажной почвы или ее объему ненарушенного сложения.

Рассчитывается по формуле:

(5.1)

где m1 — масса воды, в г;— масса почвы влажной, в т.ч. воздушно-сухой.

7

2. Приведенная влажность почвы - величина, соответствующая количеству частей воды, приходящихся на 100 частей сухой почвы (т.е. твердой части почвы). Рассчитывается по формуле:

(5.2)

где m1 — масса воды, в г;— масса сухой почвы (высушенной при t 105

°С), в г.

Величина влажности почвы является исключительно важной характеристикой, необходимой для расчета общих запасов почвенной влаги как в отдельных генетических горизонтах (или слоях, например, 0-10, 0-20, 0-100 см), так и в профиле в целом, относительной влажности, степени обводнения и степени аэрации почв и др.

5.2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

Взятие образца почвы на влажность. Определение влажности почвы необходимо проводить с учетом генетических горизонтов почвы и геологических напластований. Сначала производят морфологическое описание почвы с тем, чтобы сообразно генетическим горизонтам почвы наметить глубины взятия проб на влажность.

Почвенные образцы на влажность можно брать из открытых разрезов (по горизонтам или по слоям), предварительно зачищая стенку разреза перед взятием проб на 4-5 см, или же выемку проб производят специальными бурами.

Почвенные образцы массой 10-20 г помещают в предварительно взвешенный алюминиевый или стеклянный сушильный стаканчик (бюкс), плотно закрывают крышкой. Производят запись в журнал (ведомость) отбора образцов с указанием даты отбора, номера разреза, глубины отбора образцов и соответствующего номера бюкса с крышкой.

Внешнюю сторону бюкса рекомендуется протереть сухой тряпкой или фильтровальной бумагой для удаления частиц почвы, затем чистые бюксы ставят в ящик для транспортировки образцов, защищая их от прямых солнечных лучей. Желательно образцы как можно быстрее доставить в лабораторию для взвешивания.

При определении полевой (естественной) влажности взвешивание образцов производят на физико-технических весах с точностью до 0.01 г. При необходимости более точных определений, особенно в случае низкой влажности, следует взвешивать на аналитических весах с точностью до 0.0001 г.

Контроль взятия образцов в поверхностном слое (например, Апах) пятикратный, далее и до глубины 1 м — трехкратный, глубже - двухкратный. При систематических и массовых определениях контрольные пробы берутся в одну сушилку.

8

Количественный учет содержания влаги в почве. Существующие ме-

тоды определения абсолютной влажности можно разделить на прямые методы, при которых количество воды определяется непосредственно, и косвенные, при которых оно вычисляется посредством каких-либо коэффициентов или градуировок.

Полевой метод. Влажность почвы можно определить морфологически. Для полевых исследований рекомендуется следующая шкала увлажнения почв:

а) мокрая почва - при копании почвенного разреза сочится вода; б) сырая - вода не сочится, но приложенный лист непроклеенном бумаги

быстро промокает, а при сжатии в руке почва превращается в тестообразную массу;

в) влажная - куски почв требуют незначительного усилия при сжатии, приложенная фильтровальная бумага при этом увлажняется;

г) свежая - почва производит ощущение слегка прохладной массы, воды в капельно-жидком состоянии при этом нет, бумага не промокает;

д) сухая - пылит.

Лабораторный метод. Для количественного определения содержания влаги в почвенных образцах используют широкий спектр методов горячей сушки (термостатно-весовой, сушку инфракрасными лучами, метод горящего спирта).

Методы горячей сушки с давних пор и по настоящее время являются самыми распространенными в почвенной практике. С использованием этих методов проведены все основные работы по изучению влажности почвы (Г. Н. Высоцкий, В. С. Ротмистров, А. А. Измаильский). В настоящее время основным (стандартизированным) является термостатно-весовой метод.

5.3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8. ТЕРМОСТАТНО-ВЕСОВОЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

Принцип метода основан на учете разницы массы почвенных образцов до и после сушки при температуре 100-105° С. Убыль массы будет соответствовать количеству влаги, содержащейся в почве.

Техника анализа. В предварительно взвешенный сушильный стаканчик (бюкс) помещают среднюю пробу почвы от 8 до 20 г. Сырую почву взвешивают дважды в целях контроля. Взвешивание почвы при определении полевой (естественной) влажности производится на технико-химических весах с точностью до 0.01 г; при необходимости более точных определений, особенно в случае низких значений влажности, взвешивать следует на аналитических весах с точностью до 0.0001 г.

Открытый бюкс (крышку помещают под дно бюкса) с почвой помещают в сушильный шкаф и сушат при 100-105° С до постоянной массы. Песчаные и супесчаные почвы можно сушить при 150-160° С.

10

сушки (графы 8-9). Абсолютно сухую навеску почвы (m2) вычисляют как разницу массы бюкса с почвой после сушки (графы 8-9) и массы пустого бюкса (графа 6).

Влажность почвы выражают в процентах по отношению к массе абсолютно сухой почвы и рассчитывают (с точностью до 0.01 или 0.1 %%) по следующей формуле:

(5.3)

где m1 — масса воды, в г; m2 — масса сухой почвы (высушенной при t=105° С), в г.

или

(5.4)

где Рв – масса бюкса с влажной почвой (до сушки), в г; Рс – масса бюкса с почвой после высушивания, в г; Рп – масса пустого бюкса (с крышкой), в г; Рв – Рс (m1) — масса воды, в г; Рс – Рп (m2) — масса сухой почвы (высушенной при t=105 °С), в г.

5.4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9. СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ И РАСЧЕТ ЗАПАСОВ ВЛАГИ

5.4.1. Абсолютная влажность почвы. Содержание влаги вычисляют в процентах от массы абсолютно сухой почвы по формуле 5.3.

(5.3)

где m1 — масса воды, в г; m2 — масса сухой почвы (высушенной при t=105° С), в г.

Эту величину называют абсолютной влажностью почвы.

Используя коэффициент пересчета на сухую почву можно произвести расчет массы сухой почвы по формуле:

(5.6)

где М1 - масса влажной почвы, в г; М2 - масса сухой почвы (высушенной при t=105° С), в г; 100/100+W - коэффициент пересчета на сухую почву.

Иногда необходимо влажность выражать в процентах к объему почвы

где Wv – влажность, выраженная в процентах от объема почвы; ρv - плотность почвы (сложения), в г/см3; W – абсолютная влажность почвы, в %.